JPWO2019163171A1

JPWO2019163171A1 - Mobile body with head-up display and head-up display

Info

Publication number: JPWO2019163171A1
Application number: JP2020502005A
Authority: JP
Inventors: 聡葛原; 裕昭岡山
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-02-23
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2021-04-15
Anticipated expiration: 2038-09-07
Also published as: JP2022189851A; EP3757656A4; JP7162273B2; JP7365621B2; US20200379252A1; EP3757656B1; US11428928B2; WO2019163171A1; US20220334384A1; US11789260B2; EP3757656A1

Abstract

歪みの少ない虚像を提示し、小型化が可能であり、かつ、外光による迷光を抑制するのに有効なヘッドアップディスプレイを提供する。透過性の反射部材（２２０）に画像を投影して虚像（Ｉ）を視認させるヘッドアップディスプレイ（１００）であって、画像を表示する表示デバイス（１１０）と、表示デバイス（１１０）に表示された画像を、観察者（Ｄ）に虚像（Ｉ）として投影する投影光学系（１４０）と、を備え、観察者（Ｄ）の視点領域（３００）の中心に到達し、虚像（Ｉ）の中心に相当する光線を基準光線（Ｌｃ）としたとき、投影光学系（１４０）は、表示デバイス（１１０）からの光路の順に、入射面（１２３ａ）、反射面（１２３ｂ）、および出射面（１２３ｃ）を有し、基準光線（Ｌｃ）に対して、入射面（１２３ａ）と出射面（１２３ｃ）との少なくともいずれかを傾斜させたプリズム素子（１２３）を有する。It provides a head-up display that presents a virtual image with little distortion, can be miniaturized, and is effective in suppressing stray light due to external light. A head-up display (100) for projecting an image onto a transparent reflective member (220) to visually recognize a virtual image (I), which is displayed on a display device (110) and a display device (110) for displaying the image. The image is provided with a projection optical system (140) for projecting the image to the observer (D) as a virtual image (I), and reaches the center of the viewpoint region (300) of the observer (D) to reach the center of the virtual image (I). When the light ray corresponding to the center is the reference light ray (Lc), the projection optical system (140) has an incident surface (123a), a reflecting surface (123b), and an emitting surface (123b) in the order of the optical path from the display device (110). It has 123c) and has a prism element (123) in which at least one of an incident surface (123a) and an emitting surface (123c) is inclined with respect to a reference light ray (Lc).

Description

本開示は、ヘッドアップディスプレイおよびヘッドアップディスプレイを搭載した移動体に関する。 The present disclosure relates to a head-up display and a moving body equipped with the head-up display.

特許文献１は、ウインドシールドに表示像を投影するヘッドアップディスプレイを開示する。このヘッドアップディスプレイは、表示面を有し、表示面に画像を表示させる表示デバイスと、凹面鏡と、凹面鏡と表示面との間に配置された集光作用を有するレンズとを備える。また、このヘッドアップディスプレイは、表示面から出射した光線を、レンズと凹面鏡とを介して結像させて、画像を拡大した中間像を形成する第１の光学系を備える。さらに、このヘッドアップディスプレイは、中間像をウインドシールドに投射する第２の光学系を備える。第１の光学系によって結像する中間像は、表示デバイスが表示面上で表示する表示画像よりも大きい。これにより、第１の光学系および第２の光学系の小型化を図っている。 Patent Document 1 discloses a head-up display that projects a display image onto a windshield. This head-up display includes a display device having a display surface and displaying an image on the display surface, a concave mirror, and a lens having a light-collecting action arranged between the concave mirror and the display surface. Further, this head-up display includes a first optical system that forms an image of light rays emitted from a display surface via a lens and a concave mirror to form an intermediate image in which the image is magnified. Further, the head-up display includes a second optical system that projects an intermediate image onto the windshield. The intermediate image formed by the first optical system is larger than the display image displayed on the display surface by the display device. As a result, the first optical system and the second optical system are miniaturized.

特開２０１７−１２０３８８号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-12388

本開示は、小型化が可能で、かつ、外光による迷光を抑制するのに有効なヘッドアップディスプレイを提供する。 The present disclosure provides a head-up display that can be miniaturized and is effective in suppressing stray light due to external light.

本開示のヘッドアップディスプレイは、透過性の反射部材に画像を投影して虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、前記画像を表示する表示デバイスと、前記表示デバイスに表示された前記画像を、観察者に虚像として投影する投影光学系と、を備え、前記観察者の視点領域の中心に到達し、前記虚像の中心に相当する光線を基準光線としたとき、前記投影光学系は、前記表示デバイスからの光路の順に、入射面、反射面、および出射面を有し、前記基準光線に対して、前記入射面と前記出射面との少なくともいずれかを傾斜させたプリズム素子を有する。 The head-up display of the present disclosure is a head-up display that projects an image onto a transparent reflective member to visually recognize a virtual image, and a display device for displaying the image and the image displayed on the display device are displayed. When a projection optical system for projecting as a virtual image to an observer is provided, a ray reaching the center of the viewpoint region of the observer is used as a reference ray, and the light ray corresponding to the center of the virtual image is used as a reference ray, the projection optical system is displayed. It has an incident surface, a reflecting surface, and an emitting surface in the order of the optical path from the device, and has a prism element in which at least one of the incident surface and the emitting surface is inclined with respect to the reference light ray.

本開示におけるヘッドアップディスプレイは、歪みの少ない虚像を提示し、小型化が可能であり、かつ、外光による迷光を抑制するのに有効である。 The head-up display in the present disclosure presents a virtual image with less distortion, can be miniaturized, and is effective in suppressing stray light due to external light.

実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイを搭載した車両を説明するための模式図Schematic diagram for explaining a vehicle equipped with a head-up display according to the first embodiment. 実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図Schematic diagram showing the configuration of the head-up display according to the first embodiment 実施の形態１におけるヘッドアップディスプレイの投影光学系を説明するための模式図Schematic diagram for explaining the projection optical system of the head-up display according to the first embodiment. 実施の形態２におけるヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図Schematic diagram showing the configuration of the head-up display according to the second embodiment 実施の形態３のヘッドアップディスプレイの構成を示す模式図Schematic diagram showing the configuration of the head-up display of the third embodiment 実施の形態４のヘッドアップディスプレイの動作を示す図The figure which shows the operation of the head-up display of Embodiment 4. 実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における各面の偏心データを示す図The figure which shows the eccentricity data of each surface in the optical system of Example 1 (corresponding to Embodiment 1). 実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における各面の曲率半径を示す図The figure which shows the radius of curvature of each surface in the optical system of Example 1 (corresponding to Embodiment 1). 実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図The figure which shows the data of the shape of the free curved surface in the optical system of Example 1 (corresponding to Embodiment 1). 実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図The figure which shows the data of the shape of the free curved surface in the optical system of Example 1 (corresponding to Embodiment 1). 実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図The figure which shows the data of the shape of the free curved surface in the optical system of Example 1 (corresponding to Embodiment 1). 実施例１（実施の形態１に対応）の光学系における自由曲面の形状のデータを示す図The figure which shows the data of the shape of the free curved surface in the optical system of Example 1 (corresponding to Embodiment 1). 実施例１のヘッドアップディスプレイのデータを示す図The figure which shows the data of the head-up display of Example 1. 実施例１のヘッドアップディスプレイのデータを示す図The figure which shows the data of the head-up display of Example 1.

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、発明者（ら）は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. However, more detailed explanation than necessary may be omitted. For example, detailed explanations of already well-known matters and duplicate explanations for substantially the same configuration may be omitted. This is to avoid unnecessary redundancy of the following description and to facilitate the understanding of those skilled in the art.
It should be noted that the inventors (or others) intend to limit the subject matter described in the claims by those skilled in the art by providing the accompanying drawings and the following description in order to fully understand the present disclosure. It is not something to do.

（実施の形態１）
以下、図１〜４を用いて、実施の形態１を説明する。
[１−１．構成]
[１−１−１．ヘッドアップディスプレイの全体構成]
本開示のヘッドアップディスプレイ１００の具体的な実施の形態及び実施例を、図面を参照して、以下、説明する。
図１は、本開示に係るヘッドアップディスプレイ１００を搭載した車両２００の断面を示す図である。図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、車両２００のウインドシールド２２０下部のダッシュボード２１０内部に配置される。観察者Ｄは、ヘッドアップディスプレイ１００から投射される画像を虚像Ｉとして認識する。(Embodiment 1)
Hereinafter, the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
[1-1. Constitution]
[1-1-1. Overall configuration of head-up display]
Specific embodiments and examples of the head-up display 100 of the present disclosure will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a cross section of a vehicle 200 equipped with the head-up display 100 according to the present disclosure. As shown in FIG. 1, the head-up display 100 is arranged inside the dashboard 210 below the windshield 220 of the vehicle 200. The observer D recognizes the image projected from the head-up display 100 as a virtual image I.

図２は、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の構成を示す模式図である。図３は、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００の投影光学系を説明するための模式図である。 FIG. 2 is a schematic view showing the configuration of the head-up display 100 according to the present embodiment. FIG. 3 is a schematic view for explaining the projection optical system of the head-up display 100 according to the present embodiment.

図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０と、投影光学系１４０と、を備える。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０が拡散特性を有する光学部材となっており、表示デバイス１１０に表示する画像をウインドシールド２２０に投射する。投射された光は、ウインドシールド２２０において反射され、観察者Ｄの視点領域３００に導かれる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させる。ここで、視点とは、観察者Ｄの目をレンズと考えた場合の主点であり、視点領域３００とは、虚像Ｉを欠けることなく視認できる、観察者Ｄの視点の位置する領域である。 As shown in FIG. 2, the head-up display 100 includes a display device 110 and a projection optical system 140. In the head-up display 100, the display device 110 is an optical member having a diffusion characteristic, and the image displayed on the display device 110 is projected onto the windshield 220. The projected light is reflected by the windshield 220 and guided to the viewpoint region 300 of the observer D. As a result, the head-up display 100 causes the observer D to visually recognize the virtual image I. Here, the viewpoint is the main point when the eyes of the observer D are considered as a lens, and the viewpoint area 300 is a region where the viewpoint of the observer D is located so that the virtual image I can be visually recognized without being chipped. ..

ここで、本開示において、前方とは、観察者Ｄから見て車両２００のウインドシールド２２０のある方向である。後方とは、前方の反対の方向である。また、下方とは車両２００が走行する地面の方向である。上方とは、下方の反対の方向である。内側とは、運転席の観察者Ｄから見て助手席側である。外側とは、内側の反対方向である。また、視点領域３００は、観察者Ｄが虚像Ｉを欠けることなく視認できる領域である。 Here, in the present disclosure, the front is the direction in which the windshield 220 of the vehicle 200 is located when viewed from the observer D. The rear is the opposite direction of the front. Further, the downward direction is the direction of the ground on which the vehicle 200 travels. Upward is the opposite direction of downside. The inside is the passenger side when viewed from the observer D in the driver's seat. The outside is the opposite direction of the inside. Further, the viewpoint region 300 is a region where the observer D can visually recognize the virtual image I without missing it.

ここで、図２に示すように、表示デバイス１１０から出射する光線のうち、視点領域３００の中心に到達する光線を光線Ｌとする。また、表示デバイス１１０から出射する光線のうち、虚像Ｉの中心部を通り、視点領域３００の中心に到達する光線を基準光線Ｌｃとする。すなわち、観察者Ｄから見た場合、基準光線Ｌｃは、虚像Ｉの中心から観察者Ｄの視点までの光路に相当する。観察者Ｄが視認する基準光線Ｌｃは、実際には表示デバイス１１０から光学系を経て観察者Ｄに到達したものである。そのため、虚像Ｉの中心から出射する基準光線Ｌｃに対応する、表示デバイス１１０から観察者Ｄに到達するまでの光線も基準光線Ｌｃと表現される。また、これらの光線に対応する光路も同様に基準光線Ｌｃと表現される。ただし、観察者Ｄの視点が視点領域３００の中心にあるものとする。 Here, as shown in FIG. 2, among the light rays emitted from the display device 110, the light rays reaching the center of the viewpoint region 300 are referred to as light rays L. Further, among the light rays emitted from the display device 110, the light rays that pass through the center of the virtual image I and reach the center of the viewpoint region 300 are set as the reference light rays Lc. That is, when viewed from the observer D, the reference ray Lc corresponds to an optical path from the center of the virtual image I to the viewpoint of the observer D. The reference ray Lc visually recognized by the observer D actually reaches the observer D from the display device 110 via the optical system. Therefore, the ray from the display device 110 to the observer D, which corresponds to the reference ray Lc emitted from the center of the virtual image I, is also expressed as the reference ray Lc. Further, the optical path corresponding to these rays is also expressed as a reference ray Lc. However, it is assumed that the viewpoint of the observer D is at the center of the viewpoint region 300.

表示デバイス１１０は、図示しないＣＰＵ等の制御部による制御に基づき、表示画像を表示する。表示デバイス１１０には、例えば、バックライト付きの液晶表示装置（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）や有機発光ダイオード（ＯｒｇａｎｉｃＬｉｇｈｔ−ＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）、プラズマディスプレイなどを用いることができる。また、表示デバイス１１０として、光を拡散または反射するスクリーンと、プロジェクタや走査型レーザを用いて画像を生成してもよい。表示デバイス１１０は、道路進行案内表示や、前方車両までの距離、車のバッテリー残量、現在の車速など、各種の情報を表示することができる。また、表示デバイス１１０は、投射光学系１３０やウインドシールド２２０で発生する歪みや、図示を省略するカメラで取得する観察者Ｄの位置に応じて、あらかじめ画像を電子的に歪ませておくことで、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることができる。また、表示デバイス１１０は、投射光学系１３０で発生する色収差に応じて、あらかじめ複数波長の表示画素を表示位置毎にずらして表示することで、観察者Ｄに良好な虚像Ｉを視認させることができる。 The display device 110 displays a display image based on control by a control unit such as a CPU (not shown). As the display device 110, for example, a backlit liquid crystal display device (Liquid Crystal Display), an organic light-emitting diode, a plasma display, or the like can be used. Further, as the display device 110, an image may be generated by using a screen that diffuses or reflects light and a projector or a scanning laser. The display device 110 can display various information such as a road progress guidance display, a distance to a vehicle in front, a remaining battery level of the vehicle, and a current vehicle speed. Further, the display device 110 electronically distorts the image in advance according to the distortion generated by the projection optical system 130 and the windshield 220 and the position of the observer D acquired by the camera (not shown). , The observer D can visually recognize a good virtual image I. Further, the display device 110 shifts the display pixels of a plurality of wavelengths for each display position in advance according to the chromatic aberration generated in the projection optical system 130, so that the observer D can visually recognize a good virtual image I. it can.

投影光学系１４０は、リレー光学系１２０と、投射光学系１３０とを備える。リレー光学系１２０は、拡散特性を有する光学部材としての表示デバイス１１０と、集光作用を有する第１レンズ１２１と、第１ミラー１２２とから構成される。リレー光学系１２０は、拡散特性を有する光学部材としての表示デバイス１１０のスクリーンに表示された表示画像を拡大する。したがって、表示デバイス１１０のスクリーンのサイズを小型にできる。また、投射光学系１３０における倍率を低くすることができる。これにより、投射光学系１３０の第２ミラー１２５の正のパワーを弱くすることができ、画面歪みを抑制できる。 The projection optical system 140 includes a relay optical system 120 and a projection optical system 130. The relay optical system 120 includes a display device 110 as an optical member having a diffusion characteristic, a first lens 121 having a condensing action, and a first mirror 122. The relay optical system 120 enlarges the display image displayed on the screen of the display device 110 as an optical member having a diffusion characteristic. Therefore, the size of the screen of the display device 110 can be reduced. Further, the magnification in the projection optical system 130 can be lowered. As a result, the positive power of the second mirror 125 of the projection optical system 130 can be weakened, and screen distortion can be suppressed.

第１レンズ１２１によって集光され、第１ミラー１２２によって反射した光は、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａで屈折され、収差が補正される。 The light collected by the first lens 121 and reflected by the first mirror 122 is refracted by the incident surface 123a of the free-form surface prism 123, and the aberration is corrected.

投射光学系１３０は、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと、反射面１２３ｂと、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃと、第２ミラー１２５とを備える。投射光学系１３０は、リレー光学系１２０によって拡大された画像を、自由曲面プリズム１２３の反射面１２３ｂを介して反射し、自由曲面プリズム１２３の出射面を介して屈折した後に、第２ミラー１２５を介して反射することにより、ウインドシールド２２０に投射する。 The projection optical system 130 includes an incident surface 123a of the free-curved surface prism 123, a reflecting surface 123b, an exit surface 123c of the free-curved surface prism 123, and a second mirror 125. The projection optical system 130 reflects the image magnified by the relay optical system 120 through the reflection surface 123b of the free curved prism 123, refracts it through the exit surface of the free curved prism 123, and then presses the second mirror 125. By reflecting through, it is projected onto the windshield 220.

[１−１−２．投射光学系とリレー光学系と表示装置の配置構成] [1-1-2. Arrangement configuration of projection optical system, relay optical system and display device]

本実施の形態における投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１ミラー１２２と、プリズム素子としての自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと、自由曲面プリズム１２３の反射面１２３ｂと、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃと、第２ミラー１２５とが配置されている。
In the projection optical system 140 of the present embodiment, the first mirror 122, the incident surface 123a of the free curved prism 123 as a prism element, and the reflecting surface 123b of the free curved prism 123 are arranged in the order of the optical path from the display device 110. The exit surface 123c of the free curved prism 123 and the second mirror 125 are arranged.

第１ミラー１２２および第２ミラー１２５は、自由曲面形状を採用している。これは反射で生じる虚像のひずみを補正するためである。また、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃは、自由曲面形状を採用している。これは入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃでの屈折による非点収差、並びに反射面１２３ｂで生じる虚像のひずみを補正するためである。 The first mirror 122 and the second mirror 125 adopt a free curved surface shape. This is to correct the distortion of the virtual image caused by reflection. Further, the incident surface 123a, the reflecting surface 123b, and the emitting surface 123c of the free curved prism 123 adopt a free curved shape. This is to correct astigmatism due to refraction on the entrance surface 123a and the exit surface 123c, and distortion of the virtual image generated on the reflection surface 123b.

本実施の形態では、プリズム素子として、入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃの全てに自由曲面形状を採用したが、これらの面に自由曲面形状を採用しないプリズム素子を用いてもよい。また、入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃの少なくとも一つに自由曲面形状を採用してもよい。 In the present embodiment, as the prism element, a free curved shape is adopted for all of the incident surface 123a, the reflecting surface 123b, and the emitting surface 123c, but a prism element that does not adopt the free curved shape may be used for these surfaces. .. Further, a free curved surface shape may be adopted for at least one of the incident surface 123a, the reflecting surface 123b, and the emitting surface 123c.

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａは、図３に示すように、図３のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して時計回り方向に角度|θ_１|傾けて配置されている。また、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃは、図３に示すように、図３のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して反時計回り方向に角度|θ_２|傾けて配置されている。基準光線Ｌｃに対して時計回り方向を正とした場合、角度θ_１は正の角度で、角度θ_２は負の角度である。これにより、屈折による収差を抑えつつ、外光が筐体内に進入して、表示デバイス１１０の表示面または第１ミラー１２２に反射することによる迷光を防ぐことができる。
なお、基準光線Ｌｃに対して時計回り方向を正とした場合、角度θ_１を負の角度としてもよい。その場合はｍ角度θ_２は正の角度とすればよい。As shown in FIG. 3, the incident surface 123a of the free-form surface prism 123 is _{arranged at an angle | θ 1} | tilt in the clockwise direction with respect to the reference ray Lc in the XZ plan view of FIG. Further, as shown in FIG. 3, the exit surface 123c of the free curved prism 123 is _{arranged at an angle | θ 2} | tilted in the counterclockwise direction with respect to the reference ray Lc in the XZ plan view of FIG. When the clockwise direction is positive with respect to the reference ray Lc, the angle θ ₁ is a positive angle and the angle θ ₂ is a negative angle. As a result, it is possible to prevent stray light due to external light entering the housing and being reflected on the display surface of the display device 110 or the first mirror 122 while suppressing aberrations due to refraction.
When the clockwise direction is positive with respect to the reference ray Lc, the angle θ ₁ may be a negative angle. In that case, the m angle θ ₂ may be a positive angle.

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃを基準光線Ｌｃに対して傾ける程、収差が悪くなり、入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃを基準光線Ｌｃに対して直角に近づける程、太陽光が直視させることになる。そこで、本実施の形態では、入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃに以下のように上限と下限を設けている。 The more the incident surface 123a and the exit surface 123c of the free curved prism 123 are tilted with respect to the reference ray Lc, the worse the aberration becomes. Will let you. Therefore, in the present embodiment, the incident surface 123a and the exit surface 123c are provided with an upper limit and a lower limit as follows.

１５°＜|θ_１|＜４５°
１５°＜|θ_２|＜４５°15 ° <| θ ₁ | <45 °
15 ° <| θ ₂ | <45 °

また、入射面１２３ａの角度|θ_１|と、出射面１２３ｃの角度|θ_２|は、同じ角度になる方が収差を少なくすることができる。本実施の形態では、収差を抑えつつ、入射面１２３ａから反射面１２３ｂまでの光路長と、反射面１２３ｂから出射面１２３ｃまでの光路長が同じになるように、入射面１２３ａの角度|θ_１|と、出射面１２３ｃの角度|θ_２|との関係を以下のように設定している。The angle of the incident surface 123a _| θ ₁ | and the angle of the exit surface 123c _| θ ₂ | is the direction to the same angle can be reduced aberrations. _{In the present embodiment, the angle of the incident surface 123a | θ 1} so that the optical path length from the incident surface 123a to the reflecting surface 123b and the optical path length from the reflecting surface 123b to the emitting surface 123c are the same while suppressing the aberration. The relationship between | and _{the angle | θ 2} | of the exit surface 123c is set as follows.

０．７＜|θ_１／θ_２|＜１．３
θ_１×θ_２＜０
なお、上式において、基準光線Ｌｃに対して時計回りを正、反時計回りを負としている。0.7 <| θ ₁ / θ ₂ | <1.3
θ ₁ × θ ₂ <0
In the above equation, clockwise is positive and counterclockwise is negative with respect to the reference ray Lc.

入射面１２３ａと出射面１２３ｃの両方が基準光線Ｌｃに対して傾斜していることが好ましいが、入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させるようにしてもよい。入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させた場合でも、迷光の発生を抑えることができるからである。 It is preferable that both the incident surface 123a and the exit surface 123c are inclined with respect to the reference ray Lc, but at least one of the incident surface 123a and the exit surface 123c may be inclined. This is because the generation of stray light can be suppressed even when at least one of the incident surface 123a and the exit surface 123c is tilted.

ヘッドアップディスプレイの投影光学系においては、第１ミラー１２２と第２ミラー１２５との間に、さらに二つのミラーを設けて中間像を形成する光学系がある。しかし、本実施の形態においては、このような二つのミラーを自由曲面プリズム１２３により一体化し、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと出射面１２３ｃにより表示デバイス１１０からの光を屈折させ、一つの素子により複数の収差補正の効果を発揮させる。その結果、ヘッドアップディスプレイを小型化することができる。 In the projection optical system of the head-up display, there is an optical system in which two mirrors are further provided between the first mirror 122 and the second mirror 125 to form an intermediate image. However, in the present embodiment, such two mirrors are integrated by the free-form surface prism 123, and the light from the display device 110 is refracted by the entrance surface 123a and the exit surface 123c of the free-form surface prism 123 to form one element. Therefore, the effect of a plurality of aberration corrections is exhibited. As a result, the head-up display can be miniaturized.

また、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと出射面１２３ｃは、それぞれ基準光線Ｌｃに対して時計回り方向および反時計回り方向に傾いている。これにより、入射面１２３ａにおける外光による反射光は第１ミラー１２２により下方へ反射され、出射面１２３ｃにおける外光による反射光は第２ミラー１２５より下方へ反射され、視点領域３００に入射しないようにできる。 Further, the entrance surface 123a and the exit surface 123c of the free-form surface prism 123 are inclined in the clockwise direction and the counterclockwise direction with respect to the reference ray Lc, respectively. As a result, the reflected light from the external light on the incident surface 123a is reflected downward by the first mirror 122, and the reflected light from the external light on the emitting surface 123c is reflected downward from the second mirror 125 so as not to enter the viewpoint region 300. Can be done.

[１−２．効果等]
実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイの一例としてのヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させるヘッドアップディスプレイである。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイスの一例としての表示デバイス１１０と、投影光学系１４０と、を備える。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃを有し、基準光線Ｌｃに対して、入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させた自由曲面プリズム１２３を有する。したがって、自由曲面プリズム１２３によって収差が少なく抑えられ、かつ、投影光学系１４０内に外光が入射した場合であっても、外光が第１ミラー１２２等に反射することによる迷光を抑制することができる。また、本実施形態では、中間像を形成する二つのミラーを設けずに、これらのミラーを一体化した自由曲面プリズム１２３を用いた。したがって、投影光学系１４０の全長を短縮し、ヘッドアップディスプレイ１００を小型化することができる。[1-2. Effect, etc.]
The head-up display 100 as an example of the head-up display according to the first embodiment is a head-up display that allows the observer D to visually recognize the virtual image I. The head-up display 100 includes a display device 110 as an example of a display device and a projection optical system 140. The projection optical system 140 has an incident surface 123a, a reflecting surface 123b, and an emitting surface 123c of the free curved prism 123 in the order of the optical path from the display device 110, and the incident surface 123a and the emitting surface 123c with respect to the reference ray Lc. It has a free curved prism 123 in which at least one of the above is tilted. Therefore, the free-form surface prism 123 suppresses aberrations to a small extent, and even when external light is incident on the projection optical system 140, stray light due to reflection of external light on the first mirror 122 or the like is suppressed. Can be done. Further, in the present embodiment, a free-form surface prism 123 in which these mirrors are integrated is used without providing two mirrors forming an intermediate image. Therefore, the overall length of the projection optical system 140 can be shortened, and the head-up display 100 can be miniaturized.

実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００は、プリズム素子として自由曲面プリズム１２３を用いたので、ヘッドアップディスプレイ１００のような結像光学系において、外光の反射を抑えつつ、良好な光学的特性を実現できる。 Since the head-up display 100 according to the first embodiment uses a free-form surface prism 123 as a prism element, good optical characteristics are suppressed while suppressing reflection of external light in an imaging optical system such as the head-up display 100. Can be realized.

（実施の形態２）
次に、図４を用いて、実施の形態２を説明する。
[２−１．構成]
図４は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００の構成を示す図である。図４に示すように、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ１００においては、表示デバイス１１０は、スクリーン１１１と、スクリーン１１１を駆動する駆動部１１２と、走査型レーザ１１３とを備える。(Embodiment 2)
Next, the second embodiment will be described with reference to FIG.
[2-1. Constitution]
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the head-up display 100 according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, in the head-up display 100 of the present embodiment, the display device 110 includes a screen 111, a drive unit 112 for driving the screen 111, and a scanning laser 113.

表示デバイス１１０において、図示しないマイコン等の制御部によって表示画像情報が制御される。表示画像情報としては、道路進行案内表示や、前方車両までの距離、車のバッテリー残量、現在の車速など、各種の情報を表示することができる。表示デバイス１１０の光源として、スクリーン１１１に画像を投影するプロジェクタや走査型レーザが用いられる。走査型レーザ１１３は、スクリーン１１１の面を走査することで、表示画像を形成する。駆動部１１２は、スクリーン１１１を基準光線Ｌｃに沿って移動させる駆動装置である。駆動部１１２によってスクリーン１１１が基準光線Ｌｃに沿って移動することで、観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離を調整することができる。例えば、スクリーン１１１をリレー光学系１２０に対して遠ざける方向に移動させることで、虚像Ｉを観察者Ｄに対して遠ざけることができる。 In the display device 110, the display image information is controlled by a control unit such as a microcomputer (not shown). As the display image information, various information such as a road progress guide display, a distance to a vehicle in front, a remaining battery level of the vehicle, and a current vehicle speed can be displayed. As the light source of the display device 110, a projector or a scanning laser that projects an image on the screen 111 is used. The scanning laser 113 forms a display image by scanning the surface of the screen 111. The drive unit 112 is a drive device that moves the screen 111 along the reference ray Lc. The distance from the observer D to the virtual image I can be adjusted by moving the screen 111 along the reference ray Lc by the drive unit 112. For example, the virtual image I can be moved away from the observer D by moving the screen 111 away from the relay optical system 120.

また、駆動部１１２は、走査型レーザ１１３のスクリーン１１１における走査の位置に応じて移動する。これにより、スクリーン１１１の基準光線Ｌｃの出射角によらず虚像Ｉを任意の平面上に描くことができる。例えば、走査型レーザ１１３の描写周期と、スクリーン１１１の揺動周期を同期させることで、虚像Ｉを観察者Ｄに対して傾いた平面上に描写することができる。また、スクリーン１１１を数十Ｈｚで基準光線Ｌｃの方向に前後に移動させることにより、虚像Ｉを立体表示させることもできる。 Further, the drive unit 112 moves according to the scanning position on the screen 111 of the scanning laser 113. As a result, the virtual image I can be drawn on an arbitrary plane regardless of the emission angle of the reference ray Lc of the screen 111. For example, by synchronizing the drawing period of the scanning laser 113 with the swinging period of the screen 111, the virtual image I can be drawn on a plane tilted with respect to the observer D. Further, the virtual image I can be displayed in three dimensions by moving the screen 111 back and forth in the direction of the reference ray Lc at several tens of Hz.

本実施の形態においても、投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１ミラー１２２と、プリズム素子としての自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと、自由曲面プリズム１２３の反射面１２３ｂと、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃと、第２ミラー１２５とが配置されている。 Also in the present embodiment, the projection optical system 140 has the first mirror 122, the incident surface 123a of the free curved prism 123 as a prism element, and the reflecting surface 123b of the free curved prism 123 in the order of the optical path from the display device 110. And the exit surface 123c of the free curved prism 123 and the second mirror 125 are arranged.

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａは、図４に示すように、図４のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して時計回り方向に角度|θ_１|傾けて配置されている。また、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃは、図４に示すように、図４のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して反時計回り方向に角度|θ_２|傾けて配置されている。これにより、外光が筐体内に進入して、出射面１２３ｃで反射することによる迷光を防ぐことができる。As shown in FIG. 4, the incident surface 123a of the free-form surface prism 123 is _{arranged at an angle | θ 1} | tilt in the clockwise direction with respect to the reference ray Lc in the XZ plan view of FIG. Further, as shown in FIG. 4, the exit surface 123c of the free curved prism 123 is _{arranged at an angle | θ 2} | tilted in the counterclockwise direction with respect to the reference ray Lc in the XZ plan view of FIG. As a result, it is possible to prevent stray light due to external light entering the housing and being reflected by the exit surface 123c.

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃを基準光線Ｌｃに対して傾ける程、収差が悪くなり、入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃを基準光線Ｌｃに対して直角に近づける程、太陽光が直視させることになる。そこで、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃに上述のような上限と下限を設けている。 The more the incident surface 123a and the exit surface 123c of the free curved prism 123 are tilted with respect to the reference ray Lc, the worse the aberration becomes. Will let you. Therefore, also in the present embodiment, the upper limit and the lower limit as described above are provided on the entrance surface 123a and the exit surface 123c as in the first embodiment.

また、入射面１２３ａの角度|θ_１|と、出射面１２３ｃの角度|θ_２|は、同じ角度になる方が収差を少なくすることができる。本実施の形態では、収差を抑えつつ、入射面１２３ａから反射面１２３ｂまでの光路長と、反射面１２３ｂから出射面１２３ｃまでの光路長が同じになるように、入射面１２３ａの角度|θ_１|と、出射面１２３ｃの角度|θ_２|との関係を、実施の形態１と同様に設定している。The angle of the incident surface 123a _| θ ₁ | and the angle of the exit surface 123c _| θ ₂ | is the direction to the same angle can be reduced aberrations. _{In the present embodiment, the angle of the incident surface 123a | θ 1} so that the optical path length from the incident surface 123a to the reflecting surface 123b and the optical path length from the reflecting surface 123b to the emitting surface 123c are the same while suppressing the aberration. _{The relationship between | and the angle | θ 2} | of the exit surface 123c is set in the same manner as in the first embodiment.

[２−２．効果等]
実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイの一例としてのヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに立体表示を含む虚像Ｉを視認させるヘッドアップディスプレイである。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイスの一例としての表示デバイス１１０と、投影光学系１４０と、を備える。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃを有し、基準光線Ｌｃに対して、入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させた自由曲面プリズム１２３を有する。したがって、自由曲面プリズム１２３によって収差が少なく抑えられ、かつ、投影光学系１４０内に外光が入射した場合であっても、外光が第１ミラー１２２等に反射することによる迷光を抑制することができる。また、本実施形態では、中間像を形成する二つのミラーを設けずに、これらのミラーを一体化した自由曲面プリズム１２３を用いた。したがって、投影光学系１４０の全長を短縮し、ヘッドアップディスプレイ１００を小型化することができる。[2-2. Effect, etc.]
The head-up display 100 as an example of the head-up display according to the second embodiment is a head-up display that allows the observer D to visually recognize a virtual image I including a stereoscopic display. The head-up display 100 includes a display device 110 as an example of a display device and a projection optical system 140. The projection optical system 140 has an incident surface 123a, a reflecting surface 123b, and an emitting surface 123c of the free curved prism 123 in the order of the optical path from the display device 110, and the incident surface 123a and the emitting surface 123c with respect to the reference ray Lc. It has a free curved prism 123 in which at least one of the above is tilted. Therefore, the free-form surface prism 123 suppresses aberrations to a small extent, and even when external light is incident on the projection optical system 140, stray light due to reflection of external light on the first mirror 122 or the like is suppressed. Can be done. Further, in the present embodiment, a free-form surface prism 123 in which these mirrors are integrated is used without providing two mirrors forming an intermediate image. Therefore, the overall length of the projection optical system 140 can be shortened, and the head-up display 100 can be miniaturized.

実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１００は、プリズム素子として自由曲面プリズム１２３を用いたので、ヘッドアップディスプレイ１００のような結像光学系において、外光の反射を抑えつつ、良好な光学的特性を実現できる。 Since the head-up display 100 according to the second embodiment uses a free-form surface prism 123 as a prism element, good optical characteristics are suppressed while suppressing reflection of external light in an imaging optical system such as the head-up display 100. Can be realized.

（実施の形態３）
次に、図５を用いて、実施の形態３を説明する。(Embodiment 3)
Next, the third embodiment will be described with reference to FIG.

[３−１．構成]
図５は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００の構成を示す模式図である。図５に示すように、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ１００は、リレー光学系を備えていない。[3-1. Constitution]
FIG. 5 is a schematic view showing the configuration of the head-up display 100 according to the third embodiment. As shown in FIG. 5, the head-up display 100 of the present embodiment does not include a relay optical system.

図５に示すように、本実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイス１１０は、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａに対向するように配置されている。表示デバイス１１０から出射する光線は、直接、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａに入射する。 As shown in FIG. 5, in the head-up display 100 according to the present embodiment, the display device 110 is arranged so as to face the incident surface 123a of the free-form surface prism 123. The light beam emitted from the display device 110 is directly incident on the incident surface 123a of the free-form surface prism 123.

本実施の形態においては、投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、プリズム素子としての自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと、自由曲面プリズム１２３の反射面１２３ｂと、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃと、第２ミラー１２５とが配置されている。 In the present embodiment, the projection optical system 140 has the incident surface 123a of the free curved prism 123 as a prism element, the reflecting surface 123b of the free curved prism 123, and the free curved prism 123 in the order of the optical path from the display device 110. The exit surface 123c and the second mirror 125 are arranged.

第２ミラー１２５は、自由曲面形状を採用している。これは反射で生じる虚像のひずみを補正するためである。また、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃは、自由曲面形状を採用している。これは入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃでの屈折による非点収差、並びに反射面１２３ｂで生じる虚像のひずみを補正するためである。 The second mirror 125 adopts a free curved surface shape. This is to correct the distortion of the virtual image caused by reflection. Further, the incident surface 123a, the reflecting surface 123b, and the emitting surface 123c of the free curved prism 123 adopt a free curved shape. This is to correct astigmatism due to refraction on the entrance surface 123a and the exit surface 123c, and distortion of the virtual image generated on the reflection surface 123b.

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａは、図５に示すように、図５のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して時計回り方向に角度|θ_１|傾けて配置されている。また、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃは、図５に示すように、図５のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して反時計回り方向に角度|θ_２|傾けて配置されている。これにより、外光が筐体内に進入して、出射面１２３ｃで反射することによる迷光を防ぐことができる。As shown in FIG. 5, the incident surface 123a of the free-form surface prism 123 is _{arranged at an angle | θ 1} | tilt in the clockwise direction with respect to the reference ray Lc in the XZ plan view of FIG. Further, as shown in FIG. 5, the exit surface 123c of the free curved prism 123 is _{arranged at an angle | θ 2} | tilted in the counterclockwise direction with respect to the reference ray Lc in the XZ plan view of FIG. As a result, it is possible to prevent stray light due to external light entering the housing and being reflected by the exit surface 123c.

ヘッドアップディスプレイの投影光学系においては、表示デバイス１１０と第２ミラー１２５との間に、さらに二つのミラーを設けて中間像を形成する光学系がある。しかし、本実施の形態においては、このような二つのミラーを自由曲面プリズム１２３により一体化し、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと出射面１２３ｃにより表示デバイス１１０からの光を屈折させ、一つの素子により複数の収差補正の効果を発揮させる。その結果、ヘッドアップディスプレイを小型化することができる。 In the projection optical system of the head-up display, there is an optical system in which two mirrors are further provided between the display device 110 and the second mirror 125 to form an intermediate image. However, in the present embodiment, such two mirrors are integrated by the free-form surface prism 123, and the light from the display device 110 is refracted by the entrance surface 123a and the exit surface 123c of the free-form surface prism 123 to form one element. Therefore, the effect of a plurality of aberration corrections is exhibited. As a result, the head-up display can be miniaturized.

[３−２．効果等]
実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイの一例としてのヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに虚像Ｉを視認させるヘッドアップディスプレイである。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイスの一例としての表示デバイス１１０と、投影光学系１４０と、を備える。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃを有し、基準光線Ｌｃに対して、入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させた自由曲面プリズム１２３を有する。したがって、自由曲面プリズム１２３によって収差が少なく抑えられ、かつ、投影光学系１４０内に外光が入射した場合であっても、外光が表示デバイス１１０等に反射することによる迷光を抑制することができる。また、本実施形態では、中間像を形成する二つのミラーを設けずに、これらのミラーを一体化した自由曲面プリズム１２３を用いた。したがって、投影光学系１４０の全長を短縮し、ヘッドアップディスプレイ１００を小型化することができる。[3-2. Effect, etc.]
The head-up display 100 as an example of the head-up display according to the third embodiment is a head-up display that allows the observer D to visually recognize the virtual image I. The head-up display 100 includes a display device 110 as an example of a display device and a projection optical system 140. The projection optical system 140 has an incident surface 123a, a reflecting surface 123b, and an emitting surface 123c of the free curved prism 123 in the order of the optical path from the display device 110, and the incident surface 123a and the emitting surface 123c with respect to the reference ray Lc. It has a free curved prism 123 in which at least one of the above is tilted. Therefore, the free-form surface prism 123 suppresses aberrations to a small extent, and even when external light is incident on the projection optical system 140, stray light due to reflection of external light on the display device 110 or the like can be suppressed. it can. Further, in the present embodiment, a free-form surface prism 123 in which these mirrors are integrated is used without providing two mirrors forming an intermediate image. Therefore, the overall length of the projection optical system 140 can be shortened, and the head-up display 100 can be miniaturized.

実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１００は、プリズム素子として自由曲面プリズム１２３を用いたので、ヘッドアップディスプレイ１００のような結像光学系において、外光の反射を抑えつつ、良好な光学的特性を実現できる。 Since the head-up display 100 according to the third embodiment uses a free-form surface prism 123 as a prism element, good optical characteristics are suppressed while suppressing reflection of external light in an imaging optical system such as the head-up display 100. Can be realized.

（実施の形態４）
次に、図６を用いて、実施の形態４を説明する。(Embodiment 4)
Next, the fourth embodiment will be described with reference to FIG.

[４−１．構成]
図６は、実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００の構成を示す模式図である。図６に示すように、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ１００は、実施の形態２と同様に、表示デバイス１１０が、スクリーン１１１と、スクリーン１１１を駆動する駆動部１１２と、走査型レーザ１１３とを備える。また、本実施の形態のヘッドアップディスプレイ１００は、実施の形態３と同様に、表示デバイス１１０のスクリーン１１１と、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａとの間に、リレー光学系が設けられていない。[4-1. Constitution]
FIG. 6 is a schematic view showing the configuration of the head-up display 100 according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 6, in the head-up display 100 of the present embodiment, similarly to the second embodiment, the display device 110 includes a screen 111, a drive unit 112 for driving the screen 111, and a scanning laser 113. To be equipped. Further, in the head-up display 100 of the present embodiment, as in the third embodiment, the relay optical system is not provided between the screen 111 of the display device 110 and the incident surface 123a of the free-form surface prism 123. ..

本実施の形態においては、投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、第１ミラー１２２と、プリズム素子としての自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、自由曲面プリズム１２３の反射面１２３ｂと、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃと、第２ミラー１２５とが配置されている。 In the present embodiment, the projection optical system 140 includes the first mirror 122, the incident surface 123a of the free curved prism 123 as a prism element, and the reflecting surface 123b of the free curved prism 123 in the order of the optical path from the display device 110. , The exit surface 123c of the free curved prism 123 and the second mirror 125 are arranged.

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａは、図６に示すように、図６のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して時計回り方向に角度|θ_１|傾けて配置されている。また、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃは、図６に示すように、図６のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して反時計回り方向に角度|θ_２|傾けて配置されている。これにより、外光が筐体内に進入して、出射面１２３ｃで反射することによる迷光を防ぐことができる。As shown in FIG. 6, the incident surface 123a of the free-form surface prism 123 is _{arranged at an angle | θ 1} | tilt in the clockwise direction with respect to the reference ray Lc in the XZ plan view of FIG. Further, as shown in FIG. 6, the exit surface 123c of the free curved prism 123 is _{arranged at an angle | θ 2} | tilted in the counterclockwise direction with respect to the reference ray Lc in the XZ plan view of FIG. As a result, it is possible to prevent stray light due to external light entering the housing and being reflected by the exit surface 123c.

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃを基準光線Ｌｃに対して傾ける程、収差が悪くなり、入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃを基準光線Ｌｃに対して直角に近づける程、太陽光が直視させることになる。そこで、本実施の形態においても、入射面１２３ａおよび出射面１２３ｃに実施の形態１と同様な上限と下限を設けている。 The more the incident surface 123a and the exit surface 123c of the free curved prism 123 are tilted with respect to the reference ray Lc, the worse the aberration becomes. Will let you. Therefore, also in this embodiment, the incident surface 123a and the exit surface 123c are provided with the same upper and lower limits as in the first embodiment.

[４−２．効果等]
実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイの一例としてのヘッドアップディスプレイ１００は、観察者Ｄに立体表示を含む虚像Ｉを視認させるヘッドアップディスプレイである。ヘッドアップディスプレイ１００は、表示デバイスの一例としての表示デバイス１１０と、投影光学系１４０と、を備える。投影光学系１４０は、表示デバイス１１０からの光路の順に、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａ、反射面１２３ｂ、および出射面１２３ｃを有し、基準光線Ｌｃに対して、入射面１２３ａと出射面１２３ｃとの少なくともいずれかを傾斜させた自由曲面プリズム１２３を有する。したがって、自由曲面プリズム１２３によって収差が少なく抑えられ、かつ、投影光学系１４０内に外光が入射した場合であっても、外光が表示デバイス１１０のスクリーン１１１等に反射することによる迷光を抑制することができる。また、本実施形態では、中間像を形成する二つのミラーを設けずに、これらのミラーを一体化した自由曲面プリズム１２３を用いた。したがって、投影光学系１４０の全長を短縮し、ヘッドアップディスプレイ１００を小型化することができる。[4-2. Effect, etc.]
The head-up display 100 as an example of the head-up display according to the fourth embodiment is a head-up display that allows the observer D to visually recognize a virtual image I including a stereoscopic display. The head-up display 100 includes a display device 110 as an example of a display device and a projection optical system 140. The projection optical system 140 has an incident surface 123a, a reflecting surface 123b, and an emitting surface 123c of the free curved prism 123 in the order of the optical path from the display device 110, and the incident surface 123a and the emitting surface 123c with respect to the reference ray Lc. It has a free curved prism 123 in which at least one of the above is tilted. Therefore, the free-form surface prism 123 suppresses aberrations to a small extent, and even when external light is incident on the projection optical system 140, stray light due to reflection of external light on the screen 111 or the like of the display device 110 is suppressed. can do. Further, in the present embodiment, a free-form surface prism 123 in which these mirrors are integrated is used without providing two mirrors forming an intermediate image. Therefore, the overall length of the projection optical system 140 can be shortened, and the head-up display 100 can be miniaturized.

実施の形態４に係るヘッドアップディスプレイ１００は、プリズム素子として自由曲面プリズム１２３を用いたので、ヘッドアップディスプレイ１００のような結像光学系において、外光の反射を抑えつつ、良好な光学的特性を実現できる。 Since the head-up display 100 according to the fourth embodiment uses a free-form surface prism 123 as a prism element, good optical characteristics are suppressed while suppressing reflection of external light in an imaging optical system such as the head-up display 100. Can be realized.

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１〜４を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１〜４で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。(Other embodiments)
As described above, Embodiments 1 to 4 have been described as examples of the techniques disclosed in this application. However, the technique in the present disclosure is not limited to this, and can be applied to embodiments in which changes, replacements, additions, omissions, etc. are made. It is also possible to combine the components described in the above embodiments 1 to 4 to form a new embodiment.

実施の形態１〜４では、自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａと出射面１２３ｃは、別々の面で構成されていたが、入射面１２３ａと出射面１２３ｃは、同一の面であってもよい。 In the first to fourth embodiments, the incident surface 123a and the exit surface 123c of the free-form surface prism 123 are formed of separate surfaces, but the incident surface 123a and the exit surface 123c may be the same surface.

実施の形態１〜４における第１ミラー１２２、第２ミラー１２５の反射面の形状は自由曲面形状に限定されるものではない。これらのミラーの反射面は、球面形状、非球面形状、トロイダル形状、アナモルフィック形状であっても良いし、これらの形状のミラーを基準光線Ｌｃに対して偏心させて配置しても良い。 The shapes of the reflecting surfaces of the first mirror 122 and the second mirror 125 in the first to fourth embodiments are not limited to the free curved surface shape. The reflecting surface of these mirrors may have a spherical shape, an aspherical shape, a toroidal shape, or an anamorphic shape, or mirrors having these shapes may be arranged eccentrically with respect to the reference ray Lc.

実施の形態１〜４では、ヘッドアップディスプレイ１００はダッシュボード２１０の下方に配置しているが、ダッシュボード２１０の上方に配置しても良い。 In the first to fourth embodiments, the head-up display 100 is arranged below the dashboard 210, but the head-up display 100 may be arranged above the dashboard 210.

（数値実施例）
以下、図７から図１４を用いて、実施の形態１に対応する数値実施例を示す。なお、以下で説明する実施例において、表中の長さの単位は（ｍｍ）であり、角度の単位は（度）である。また、自由曲面は、次の数式で定義されるものである。(Numerical example)
Hereinafter, numerical examples corresponding to the first embodiment will be shown with reference to FIGS. 7 to 14. In the examples described below, the unit of length in the table is (mm), and the unit of angle is (degree). The free-form surface is defined by the following mathematical formula.

ここで、ｚは面を定義する軸から（ｘ，ｙ）の位置におけるサグ量である。ｒは面を定義する軸の原点における曲率半径である。ｃは面を定義する軸の原点における曲率である。ｋはコーニック定数であり、多項式係数のＣ１に相当する。Ｃｊは単項式ｘ<ｍ>ｙ<ｎ>の係数である。ただし、ｍおよびｎは０以上の整数である。 Here, z is the amount of sag at the position (x, y) from the axis that defines the surface. r is the radius of curvature at the origin of the axis that defines the surface. c is the curvature at the origin of the axis that defines the surface. k is a conic constant and corresponds to C1 of the polynomial coefficient. Cj is a coefficient of the monomial x <m> y <n>. However, m and n are integers of 0 or more.

また、各実施例において、基準となる座標原点は、表示デバイス１１０に表示された画像（表示面）の中心である。表中では、表示面の横方向をＸ軸、縦方向をＹ軸、表示面に対して垂直な方向をＺ軸として示している。 Further, in each embodiment, the reference coordinate origin is the center of the image (display surface) displayed on the display device 110. In the table, the horizontal direction of the display surface is shown as the X-axis, the vertical direction is shown as the Y-axis, and the direction perpendicular to the display surface is shown as the Z-axis.

また、偏心データにおいて、ＡＤＥとは、Ｘ軸を中心にＺ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。ＢＤＥとはＹ軸を中心にＸ軸方向からＺ軸方向に回転した量を意味する。ＣＤＥとはＺ軸を中心にＸ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。 Further, in the eccentric data, ADE means an amount of rotation from the Z-axis direction to the Y-axis direction about the X-axis. BDE means the amount of rotation from the X-axis direction to the Z-axis direction about the Y-axis. CDE means the amount of rotation from the X-axis direction to the Y-axis direction about the Z-axis.

［数値実施例１］
図７〜図１２は、数値実施例１（実施の形態１）のヘッドアップディスプレイ１００の光学系のデータである。数値実施例１は、実施の形態１の構成を採る。具体的な光学系のデータを図７〜図１２に示す。図７は、ヘッドアップディスプレイ１００の各光学要素における各面の偏心データを示す。図８は、各面の曲率半径を示す。図９〜１２は、自由曲面の形状を表す多項式係数である。[Numerical Example 1]
7 to 12 are data of the optical system of the head-up display 100 of the numerical embodiment 1 (Embodiment 1). Numerical Example 1 adopts the configuration of the first embodiment. Specific optical system data are shown in FIGS. 7 to 12. FIG. 7 shows eccentric data of each surface in each optical element of the head-up display 100. FIG. 8 shows the radius of curvature of each surface. 9 to 12 are polynomial coefficients representing the shape of a free-form surface.

図１３は、実施例１の虚像Ｉの大きさと、観察者Ｄから虚像Ｉまでの距離を示すデータである。図１４は、実施の形態１の条件式（数１）の対応値を示す。 FIG. 13 is data showing the size of the virtual image I of Example 1 and the distance from the observer D to the virtual image I. FIG. 14 shows the corresponding values of the conditional expression (Equation 1) of the first embodiment.

以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。 As described above, an embodiment has been described as an example of the technique in the present disclosure. To that end, the accompanying drawings and detailed description are provided. Therefore, among the components described in the attached drawings and the detailed description, not only the components essential for problem solving but also the components not essential for problem solving in order to exemplify the above technology. Can also be included. Therefore, the fact that these non-essential components are described in the accompanying drawings or detailed description should not immediately determine that those non-essential components are essential.

なお、本開示のヘッドアップディスプレイを搭載した移動体としては、自動車等の車両の他、ウインドシールドを有する自動二輪車、電車、バス、あるいは飛行機等も考えられ、これらの移動体に本開示のヘッドアップディスプレイ１００を搭載することができる。 As the moving body equipped with the head-up display of the present disclosure, in addition to a vehicle such as an automobile, a motorcycle having a windshield, a train, a bus, an airplane, or the like can be considered, and the head of the present disclosure is attached to these moving bodies. The up display 100 can be mounted.

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。 Further, since the above-described embodiment is for exemplifying the technique in the present disclosure, various changes, replacements, additions, omissions, etc. can be made within the scope of claims or the equivalent scope thereof.

（実施形態の概要）
（１）本開示のヘッドアップディスプレイは、透過性の反射部材に画像を投影して虚像を視認させるヘッドアップディスプレイであって、画像を表示する表示デバイスと、表示デバイスに表示された画像を、観察者に虚像として投影する投影光学系と、を備え、観察者の視点領域の中心に到達し、虚像の中心に相当する光線を基準光線としたとき、投影光学系は、表示デバイスからの光路の順に、入射面、反射面、および出射面を有し、基準光線に対して、入射面と出射面との少なくともいずれかを傾斜させたプリズム素子を有する。(Outline of Embodiment)
(1) The head-up display of the present disclosure is a head-up display that projects an image onto a transparent reflective member to visually recognize a virtual image, and displays a display device for displaying the image and an image displayed on the display device. When a projection optical system that projects to the observer as a virtual image is provided, the light beam that reaches the center of the observer's viewpoint region and corresponds to the center of the virtual image is used as a reference ray, the projection optical system is an optical path from the display device. It has an incident surface, a reflecting surface, and an emitting surface in this order, and has a prism element in which at least one of the incident surface and the emitting surface is inclined with respect to a reference ray.

このように、表示デバイスからの光路の順に、入射面、反射面、および出射面を有するプリズム素子を配置して投影光学系を構成し、入射面と出射面との少なくともいずれかを傾斜させたので、投影光学系内に外光が入射した場合であっても、外光が入射面または反射面に反射することによる迷光を抑制することができる。また、投影光学系は、表示デバイスからの光路の順において、屈折作用を有する入射面と反射面を備えたプリズム素子を配置したので、リレー光学系の全長を短縮し、ヘッドアップディスプレイを小型化することができる。 In this way, a prism element having an incident surface, a reflecting surface, and an emitting surface is arranged in the order of the optical path from the display device to form a projection optical system, and at least one of the incident surface and the emitting surface is inclined. Therefore, even when external light is incident inside the projection optical system, stray light due to the external light being reflected on the incident surface or the reflecting surface can be suppressed. Further, in the projection optical system, a prism element having an incident surface and a reflecting surface having a refracting action is arranged in the order of the optical path from the display device, so that the total length of the relay optical system is shortened and the head-up display is miniaturized. can do.

（２）（１）のヘッドアップディスプレイにおいて、表示デバイスからの光路における入射面に入射する基準光線の入射面に対する傾斜量θ_１は、
１５°＜|θ_１|＜４５°
である。したがって、ヘッドアップディスプレイのような結像光学系において、外光の反射を抑えつつ、良好な光学的特性を実現できる。 _{(2) In the head-up display of (1), the amount of inclination θ 1} of the reference light ray incident on the incident surface in the optical path from the display device with respect to the incident surface is
15 ° <| θ ₁ | <45 °
Is. Therefore, in an imaging optical system such as a head-up display, good optical characteristics can be realized while suppressing reflection of external light.

（３）（１）または（２）のヘッドアップディスプレイにおいて、表示デバイスからの光路における出射面から出射される基準光線の出射面に対する傾斜量θ_２は、
１５°＜|θ_２|＜４５°
である。したがって、ヘッドアップディスプレイのような結像光学系において、外光の反射を抑えつつ、良好な光学的特性を実現できる。 _{(3) In the head-up display of (1) or (2), the inclination amount θ 2 with} respect to the emission surface of the reference light ray emitted from the emission surface in the optical path from the display device is
15 ° <| θ ₂ | <45 °
Is. Therefore, in an imaging optical system such as a head-up display, good optical characteristics can be realized while suppressing reflection of external light.

（４）（１）ないし（３）のいずれか一のヘッドアップディスプレイにおいて、表示デバイスからの光路における入射面に入射する基準光線の入射面に対する傾斜量θ_１と、出射面から出射される基準光線の出射面に対する傾斜量θ_２との関係は、
０．７＜|θ_１／θ_２|＜１．３
である。したがって、入射面または出射面を基準光線に対して傾けた場合でも、収差を少なくしつつ、入射面または出射面を通過する光線の光路長を調整することができる。(4) In the head-up display of any one of (1) to (3), the amount of inclination θ _{1 of} the reference light ray incident on the incident surface in the optical path from the display device with respect to the incident surface and the reference emitted from the exit surface. The relationship with the _{amount of inclination θ 2} with respect to the emission surface of the light beam is
0.7 <| θ ₁ / θ ₂ | <1.3
Is. Therefore, even when the entrance surface or the emission surface is tilted with respect to the reference ray, the optical path length of the light ray passing through the entrance surface or the emission surface can be adjusted while reducing the aberration.

（５）（１）ないし（４）のヘッドアップディスプレイにおいて、表示デバイスからの光路における入射面に入射する基準光線の入射面に対する傾斜量θ_１と、出射面から出射される基準光線の出射面に対する傾斜量θ_２との関係は、基準光線に対して時計回りを正とするとき、
θ１×θ２＜０
である。したがって、入射面または出射面を基準光線に対して傾けた場合でも、収差を少なくしつつ、入射面または出射面を通過する光線の光路長を調整することができる。(5) In the head-up displays of (1) to (4), the amount of inclination θ _{1 of} the reference ray incident on the incident surface in the optical path from the display device with respect to the incident surface and the emission surface of the reference ray emitted from the emission surface. The relationship with the amount of inclination θ ₂ with respect to is when the clockwise direction is positive with respect to the reference ray.
θ1 × θ2 <0
Is. Therefore, even when the entrance surface or the emission surface is tilted with respect to the reference ray, the optical path length of the light ray passing through the entrance surface or the emission surface can be adjusted while reducing the aberration.

（６）（１）ないし（５）のヘッドアップディスプレイにおいて、プリズム素子の入射面、出射面、および反射面の少なくともいずれか一つは、自由曲面形状である。したがって、ヘッドアップディスプレイのような結像光学系において、収差を少なくして良好な光学的特性を実現できる。 (6) In the head-up display of (1) to (5), at least one of the incident surface, the exit surface, and the reflecting surface of the prism element has a free curved surface shape. Therefore, in an imaging optical system such as a head-up display, it is possible to reduce aberrations and realize good optical characteristics.

（７）（１）ないし（６）のヘッドアップディスプレイにおいて、表示デバイスは、画像が表示される拡散特性を有する光学部材である。したがって、投影光学系の構成を簡素化し、ヘッドアップディスプレイを小型化出来る。 (7) In the head-up display of (1) to (6), the display device is an optical member having a diffusion characteristic in which an image is displayed. Therefore, the configuration of the projection optical system can be simplified and the head-up display can be miniaturized.

（８）本開示の移動体は、（１）ないし（７）のヘッドアップディスプレイを搭載する。したがって、外光がヘッドアップディスプレイにおける投影光学系の入射面または反射面に反射することによる迷光を抑制可能な移動体を提供することができる。また、ヘッドアップディスプレイにおける投影光学系は、表示デバイスからの光路の順において、屈折作用を有する入射面と反射面を備えたプリズム素子を配置したので、リレー光学系の全長を短縮し、小型化されたヘッドアップディスプレイを搭載した移動体を提供することができる。 (8) The moving body of the present disclosure is equipped with the head-up displays of (1) to (7). Therefore, it is possible to provide a moving body capable of suppressing stray light due to reflection of external light on an incident surface or a reflecting surface of a projection optical system in a head-up display. Further, in the projection optical system of the head-up display, a prism element having an incident surface and a reflecting surface having a refracting action is arranged in the order of the optical path from the display device, so that the overall length of the relay optical system is shortened and the size is reduced. It is possible to provide a moving body equipped with a head-up display.

本開示は、プリズム素子などの屈折光学系を用いたヘッドアップディスプレイに適用可能である。具体的には、車両用などのヘッドアップディスプレイに、本開示は適用可能である。また、本開示は、自動車等の車両の他、ウインドシールドを有する自動二輪車、電車、バス、あるいは飛行機等に適用可能である。 The present disclosure is applicable to a head-up display using a refractive optics system such as a prism element. Specifically, the present disclosure is applicable to head-up displays such as those for vehicles. Further, the present disclosure is applicable to vehicles such as automobiles, motorcycles having a windshield, trains, buses, airplanes, and the like.

１００ヘッドアップディスプレイ
１１０表示デバイス
１２０リレー光学系
１２１第１レンズ
１２２第１ミラー
１２３自由曲面プリズム
１２３ａ入射面
１２３ｂ反射面
１２３ｃ出射面
１２５第２ミラー
１３０投射光学系
１４０投影光学系
２００車両
２１０ダッシュボード
２２０ウインドシールド
３００視点領域
Ｄ観察者
Ｉ虚像
Ｌ光線
Ｌｃ基準光線100 Head-up display 110 Display device 120 Relay optics 121 First lens 122 First mirror 123 Free curved prism 123a Incident surface 123b Reflective surface 123c Emission surface 125 Second mirror 130 Projection optics 140 Projection optics 200 Vehicle 210 Dashboard 220 Windshield 300 Viewpoint area D Observer I Virtual image L Ray Lc Reference ray

自由曲面プリズム１２３の入射面１２３ａは、図３に示すように、図３のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して時計回り方向に角度|θ_１|傾けて配置されている。また、自由曲面プリズム１２３の出射面１２３ｃは、図３に示すように、図３のＸＺ平面視において、基準光線Ｌｃに対して反時計回り方向に角度|θ_２|傾けて配置されている。基準光線Ｌｃに対して時計回り方向を正とした場合、角度θ_１は正の角度で、角度θ_２は負の角度である。これにより、屈折による収差を抑えつつ、外光が筐体内に進入して、表示デバイス１１０の表示面または第１ミラー１２２に反射することによる迷光を防ぐことができる。
なお、基準光線Ｌｃに対して時計回り方向を正とした場合、角度θ_１を負の角度としてもよい。その場合は角度θ_２は正の角度とすればよい。
As shown in FIG. 3, the incident surface 123a of the free-form surface prism 123 is _{arranged at an angle | θ 1} | tilt in the clockwise direction with respect to the reference ray Lc in the XZ plan view of FIG. Further, as shown in FIG. 3, the exit surface 123c of the free curved prism 123 is _{arranged at an angle | θ 2} | tilted in the counterclockwise direction with respect to the reference ray Lc in the XZ plan view of FIG. When the clockwise direction is positive with respect to the reference ray Lc, the angle θ ₁ is a positive angle and the angle θ ₂ is a negative angle. As a result, it is possible to prevent stray light due to external light entering the housing and being reflected on the display surface of the display device 110 or the first mirror 122 while suppressing aberrations due to refraction.
When the clockwise direction is positive with respect to the reference ray Lc, the angle θ ₁ may be a negative angle. Its angles theta ₂ If may be set to a positive angle.

Claims

A head-up display that projects an image onto a transparent reflective member to make a virtual image visible.
A display device that displays the image and
A projection optical system for projecting the image displayed on the display device as a virtual image to an observer is provided.
Reaching the center of the observer's viewpoint area,
When the ray corresponding to the center of the virtual image is used as the reference ray,
The projection optical system is
It has an incident surface, a reflecting surface, and an emitting surface in the order of the optical path from the display device.
It has a prism element in which at least one of the entrance surface and the emission surface is inclined with respect to the reference ray.
Head-up display.

In the optical path from the display device, the amount of inclination θ ₁ of the reference ray incident on the incident surface with respect to the incident surface is
15 ° <| θ ₁ | <45 °
Is,
The head-up display according to claim 1.

In the optical path from the display device, the inclination amount θ ₂ of the reference ray emitted from the emission surface with respect to the emission surface is
15 ° <| θ ₂ | <45 °
Is,
The head-up display according to claim 1 or 2.

_{In the optical path from the display device, the relationship between the amount of inclination θ 1 of the} reference ray incident on the incident surface with respect to the incident surface and the amount of inclination θ2 of the reference light ray emitted from the emitting surface with respect to the emitting surface is ,
0.7 <| θ ₁ / θ ₂ | <1.3
The head-up display according to any one of claims 1 to 3.

In the optical path from the display device, the relationship between the _{amount of inclination θ 1 of the} reference ray incident on the incident surface with respect to the incident surface _{and the amount of inclination θ 2} of the reference ray emitted from the emitting surface with respect to the emitting surface. When the clockwise direction is positive with respect to the reference ray,
θ ₁ × θ ₂ <0
The head-up display according to any one of claims 1 to 4.

At least one of the entrance surface, the exit surface, and the reflection surface of the prism element has a free curved surface shape.
The head-up display according to any one of claims 1 to 5.

The display device is an optical member having a diffusion characteristic in which the image is displayed.
The head-up display according to any one of claims 1 to 6.

A mobile body equipped with the head-up display according to any one of claims 1 to 7.